采用碳质轻型卡盘可以降低能耗
机床设备的重量减轻问题越来越重要。由碳素纤维强化塑料制成的轻型卡盘在重量上可以减轻70%，这不仅可降低能源费用，同时也可使主轴的加速度时间缩短约30%。
无论是在航天领域，还是在汽车工业、摩托车运动和普及性体育运动等领域，轻型化是多年来的一个显著发展趋势。在航天领域中，太空运行的每千克有效负荷需花费好几千欧元。因此，这就极大要求每一个边角的重量能省则省。在摩托车运动方面，轻型结构也处于优先考虑地位，往往是百分之一秒决定着成败。当部件处于较大负荷下时，尤为如此。而汽车行业则以较小的能源消耗和环境友好为主。普及性体育运动亦是如此，例如轻型网球拍就更具舒适性，有利于保护运动员的关节。
生产型企业对高效设备情有独钟
汽车工业可以从较低的燃油消耗中受益。机床上则是电能消耗。如同加油站的燃油价格一样，近年来电价也在急剧上升。因此，企业越来越重视和忧虑日益上涨的维护费用的现实并不为奇。
从这个角度观察一台现代化的五轴加工中心的话，可以发现这样一台加工中心每年的耗电量要比一个四口之家的年开支高出12倍。因此，很多企业现在都已经设置了能源代表这个职位。人们不难理解，生产型企业和设备制造厂商是多么关心未来的高效节能型机器设备的。工业企业为何要与个人居家不同？现在有谁还愿意购买能耗不是在“A+”以上的厨房电器？
几年前，市场调查活动就已经预测出这种趋势。Hainbuch公司很早就重视这个话题并在其研发工作中对轻型结构卡盘及其制造工艺所面临的各种挑战作出反应。
但是，什么是轻型夹具？一方面存在着设计上的轻型结构，其目的在于结构设计尽量瘦长，避免不必要的壁厚和重量。在这方面，一种FEM计算可以提供帮助。这种计算可以明确显示出一种夹具是否处于理想的负荷状态。另一个要点便是材料的轻型化制造。在这里，除了近年来的诸如铝和钛等轻金属结构材料之外，各种高效复合塑料材料也在日益显示出其重要性。
碳纤维材料构成新的轻型夹具的基础
Hainbuch公司把碳纤维材料视为是新一代轻型夹具的基础。采用这种制造工艺时，碳纤维以多层形式被植入到一个塑料矩阵里，由此便可产生一种高强度的复合材料，其在纤维方向上的强度和刚度要比垂直于纤维方向上的强度和刚度高得多。如果轻型夹具的径向静态夹持力可以达到170kN的话，则在单个部件设计时，即可毫不例外地选择多层纤维夹具的设计形式，以承受相应的载荷。这项工作的基础便是需要大量的计算机计算。
复合材料的另一个优点便是可以把各种不同的材料组合在一起。因此，Hainbuch轻型卡盘不仅由碳纤维一种材料构成，而是同时由多种材料构成。其中，铁的含量最低，只在部件相互滑动或各部件连接须达到一定精度时才用到铁。鉴于这个事实，在立项初期就必须要掌握所需的碳纤维材料制造工艺。Hainbuch今天已经在本厂制造新型夹具的所有部件。夹具的重量可以降低70%（图1）。
图1 Manok plus轻型结构卡盘仅重8kg（a），而标准型的钢制卡盘则重24kg（b）nextpage
在夹持过程中，碳纤维强化塑料承受了所出现的各种的力。在按照拣取原理工作的小型加工中心或设备上，夹具和工件的重量至关重要。 设备的动力越强，运动物体被夹持住所需的力就越小。唯有如此，方可使各个轴达到合理的运行速度。这也能起到保护设备元件（诸如心轴和驱动装置等）的作用。
此外，这项技术也有利于设备精度的提高。设想一下用手对夹具或托盘进行换装，根据职业教育联合会的介绍，换装需要克服的最大阻力也就只有大约15kg的提升重量。在这里，轻型夹具往往也是很好的解决方案。
除了这种未来能源效率和资源节约型设备的发展趋势之外，提倡使用轻型结构夹具的另一个理由是，像在德国这样高薪酬的地区，生产率的提高越来越显得重要。除了换装时间缩短的优点之外，部件的加工周期也是非常重要的。只要观察一下现代化的机床设备，就能发现机床在动力方面越来越强。更高的转速和更大的主轴加速度是主要的因素。而恰好在这些方面，轻型结构夹具可以发挥极大的作用。高动力性机床的惯性必须保持在较低的水平。这样方可实现主轴较快的加速和减速。
图2 采用轻型结构卡盘时，设备加速度运行时间比标准型卡盘缩短30%
以车床为例来加以说明：采用相同结构的碳质轻型夹具来取代Topplus-Kombi-Axzug复合夹具，主轴加速度所需时间最大可以缩短30%（图2）。这不仅降低了电能成本，同时研究表明，工件的加工时间最大也可缩短6%。多班作业、加工循环时间为60s的高动力性机床，其年加工能力可以提高一万多个工件（图3）。采用黄铜或铝质材料，效能提高的潜力较大。
图3 碳质卡盘应用在轴加工作业上的一例
轻型结构卡盘可以使主轴加速度提高30%
轻型结构卡盘的使用策略可以使卡盘的重量减轻2/3，同时也使主轴加速度的时间缩短30%。由于耗电量较低，因此能源费用也相应降低，由此，不仅设备的能效得到提高，环境也得到更好的保护。同时，设备部件的载荷较小，作业安全性得到提高。此外，由于卡盘的重量较轻，换装工作也比较容易完成。还有一个好处便是轻型结构夹具还可以确保更高的加工精度。
作者：西部车床，如若转载，请注明出处：https://www.lathe.cc/2023/08/6742.html